草海不同石漠化程度土壤分形特征研究

李翠蓮，戴全厚，姚 云

（1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽(yáng)550025；2.息烽縣林業(yè)綠化局，貴州 息烽551100；3.息烽縣水務(wù)管理局，貴州 息烽551100）

草海濕地是我國(guó)一級(jí)保護(hù)鳥(niǎo)類黑頸鶴的主要越冬棲息地，由水域、沼澤、草甸以及豐富的水生動(dòng)植物和較高生產(chǎn)力的水生生物群落組成，是一個(gè)完整的高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和功能完整，是我國(guó)亞熱帶高原濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。由于受人為活動(dòng)的影響，作為國(guó)家的一級(jí)重要保護(hù)濕地［1］，草海的生態(tài)壞境受到嚴(yán)重的威脅。目前，威寧全縣石漠化面積占土地總面積的17.53%，其中，輕度石漠化占69.46%，中度石漠化占27.69%，強(qiáng)度石漠化（含極強(qiáng)度）占2.85%［2］。石漠化的形成，加大了上游地區(qū)的水土流失，大量的地表徑流攜帶泥沙進(jìn)入草海，造成草海泥沙淤積，庫(kù)容減小。泥沙還攜帶大量養(yǎng)分進(jìn)入草海，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，擾亂整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)。水土流失的加劇，導(dǎo)致原本脆弱的石漠化形勢(shì)更加嚴(yán)峻。

土壤是由大小、形狀各異的土壤顆粒和孔隙組成的結(jié)構(gòu)極不規(guī)則的多孔介質(zhì)，是一種較典型的分形材料，具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性，是具有分形特征的系統(tǒng)［3－5］。分維值D的大小直接表征樣本之間的結(jié)構(gòu)性，能較好地表征喀斯特石漠化過(guò)程中的土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分狀況以及石漠化的程度，可作為評(píng)價(jià)喀斯特地區(qū)土壤退化的定量指標(biāo)之一［6］。

自分形理論提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤的分形特征有了大量的研究，但其研究方向主要集中在不同植被類型［7－9］、植被破壞前后［10］及不同土地利用方式［11］下的土壤分形特征，而對(duì)不同石漠化程度土壤分形特征的研究不多［6，12－14］。尤其對(duì)草海石漠化地區(qū)土壤分形特征的研究幾乎是空白。因此，本研究運(yùn)用分形理論，對(duì)草海不同石漠化程度土地的土壤顆粒及團(tuán)聚體的分形特征進(jìn)行研究，旨在揭示草海地區(qū)石漠化土壤的結(jié)構(gòu)特征，為草海地區(qū)石漠化治理和草海濕地的保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧彝族回族苗族自治縣草海鎮(zhèn)，屬草海濕地上游集水區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°36′—104°45′，北緯26°30′—27°25′，最高海拔2 879m，最低海拔1 234m，相對(duì)高差1 645m，平均海拔2 220m。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫為10.4℃，冬季寒冷，夏季溫涼，日溫差大，年溫差小。年平均降雨量為962mm，且主要集中在6—9月，約占全年降水量的89.30%，年均日照時(shí)數(shù)為1 800h，無(wú)霜期180d，全年干濕分明，光照充足。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及土樣的采集 根據(jù)不同石漠化程度（石漠化程度的劃分參考彭琴等［15］學(xué)者的劃分方法），在研究區(qū)設(shè)置5個(gè)樣地（樣地特征見(jiàn)表1），每個(gè)樣地分別設(shè)置3個(gè)20m×20m的樣方，在樣方內(nèi)按S型布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，用鋁盒采集表層（0—20cm）原狀土，用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體；用土鉆在5個(gè)采樣點(diǎn)鉆取0—20 cm的土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，分別過(guò)1mm和0.25mm篩，用于測(cè)定土壤機(jī)械組成和土壤微團(tuán)聚體。

表1 樣地基本特征

1.2.2 測(cè)定方法 土壤機(jī)械組成及微團(tuán)聚體的測(cè)定采用吸管法，土壤團(tuán)聚體的測(cè)定采用干—濕篩法［16］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及圖表的繪制、用Spss 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 土壤分形維數(shù)計(jì)算方法

分形維數(shù)采用楊培嶺等［17］的方法，計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒組成及其分形特征

土壤顆粒組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元。不同土壤粒徑含量組合構(gòu)成不同質(zhì)地的土壤類型，影響土壤的理化性質(zhì)，決定土壤的持水性、通透性及保溫、保肥能力，進(jìn)而影響土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程［13］。由表2可知，Ⅳ號(hào)樣地的砂粒（1～0.05mm）含量最高，達(dá)11.59%，其次是Ⅲ號(hào)樣地，11.03%，Ⅰ號(hào)樣地含量最少，僅為8.14%；Ⅴ號(hào)樣地的粉粒（0.001～0.005mm）含量最高，Ⅰ號(hào)樣地最低，粉粒含量從高到低依次是：Ⅴ號(hào)（49.60%）、Ⅳ號(hào)（46.14%）、Ⅲ號(hào)（44.40%）、Ⅱ號(hào)（43.47%）、Ⅰ號(hào)（37.85%）；各樣地土壤中黏粒（＜0.001mm）的含量大小與粉粒（0.001～0.005mm）相 反，表 現(xiàn) 為：Ⅰ號(hào) （54.01%）＞Ⅱ號(hào)（47.78%）＞Ⅲ號(hào)（44.57%）＞Ⅳ號(hào)（42.27%）＞Ⅴ號(hào)（41.73%）；從土壤顆粒的分形維數(shù)可看出，Ⅰ號(hào)樣地分形維數(shù)最大，為2.908 4，Ⅴ號(hào)樣地最小，為2.854 3，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)樣地分別為2.881 8，2.865 5，2.861 5。同時(shí)，分形維數(shù)呈隨著粉粒含量的增加而減小，隨著黏粒的增加而增加的規(guī)律。通過(guò)對(duì)各粒徑含量與分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：顆粒分形維數(shù)與＜0.001mm含量呈極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.995＊＊，與0.001～0.005mm 含量呈正相關(guān)（未達(dá)到顯著），與0.005～0.01mm，0.01～0.05mm，0.05～1mm 含量均呈負(fù)相關(guān)，但僅與0.01～0.05mm的含量達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為－0.957＊。對(duì)分形維數(shù)與土壤砂粒（1～0.05mm）、粉粒（0.001～0.5mm）、黏粒（＜0.001mm）作線性回歸，關(guān)系式為D顆粒＝2.949～0.008X砂粒，相關(guān)系數(shù)為0.007；D顆粒＝3.088～0.005X粉粒，相關(guān)系數(shù)為－0.963＊＊；D顆粒＝2.678＋0.004X粘粒，相關(guān)系數(shù)為0.995＊＊。結(jié)果表明，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粉粒含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤黏粒含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，即土壤粘性越重，顆粒分形維數(shù)越大。

表2 土壤顆粒組成及其分形維數(shù)

2.2 土壤微團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

土壤微團(tuán)聚體是土壤細(xì)小顆粒在有機(jī)—無(wú)機(jī)膠結(jié)物的作用下相互凝聚和粘結(jié)而成的復(fù)雜綜合體，對(duì)土壤中水分和營(yíng)養(yǎng)元素保貯、釋供及轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著重要的作用，影響著土壤肥力水平的高低和土壤結(jié)構(gòu)的改善［18］。由表3可以看出，Ⅰ號(hào)樣地＜0.001mm微團(tuán)聚體的含量最高（21.61%），Ⅴ號(hào)樣地含量最低（10.13%），從Ⅰ號(hào)樣地到Ⅴ號(hào)樣地呈遞減趨勢(shì)。Ⅰ號(hào)樣地1～0.25mm微團(tuán)聚體含量最低，為19.73%，且與其他樣地相差較大，其余樣地從大到小依次為：Ⅴ號(hào)樣地（41.34%）＞Ⅳ號(hào)樣地（34.89%）＞Ⅱ號(hào)樣地（33.75%）＞Ⅲ號(hào)樣地（30.89%）。0.25～0.05mm微團(tuán)聚體含量變化范圍為8.71%～11.74%，其中Ⅴ號(hào)樣地含量最高，Ⅲ號(hào)樣地最低。0.05～0.01mm微團(tuán)聚體含量介于15.68～19.08%之間，高低順序依次為Ⅰ號(hào)樣地＞Ⅲ號(hào)樣地＞Ⅴ號(hào)樣地＞Ⅳ號(hào)樣地＞Ⅱ號(hào)樣地。0.01～0.005mm微團(tuán)聚體含量最少，只占了6.73%～8.03%，其中以Ⅳ號(hào)樣地含量最高，Ⅰ號(hào)樣地次之，Ⅴ號(hào)樣地最低。0.005～0.001mm微團(tuán)聚體含量，由高到低依次是：Ⅰ號(hào)樣地（22.27%）＞Ⅲ號(hào)樣地（17.62%）＞Ⅳ號(hào)樣地（17.37%）＞Ⅱ號(hào)樣地（16.93%）＞Ⅴ號(hào)樣地（12.47%）。陳恩鳳等［19］認(rèn)為小于和大于0.01mm的兩類“特征微團(tuán)聚體”的組成比例，是綜合評(píng)價(jià)土壤肥力的新的有用指標(biāo)，且＜0.01 mm／＞0.01mm微團(tuán)聚體含量的比值是肥地＜瘦地。從表3可以得出，Ⅴ號(hào)樣地大粒級(jí)（＞0.01mm）微團(tuán)聚體含量最高，為70.67%，Ⅳ號(hào)樣地次之，為62.92%，Ⅰ號(hào)樣地最低，為48.39%；除Ⅰ號(hào)樣地外，其余樣地大粒級(jí)（＞0.01mm）微團(tuán)聚體含量都大于50%（Ⅲ號(hào)樣地為58.46%，Ⅱ號(hào)樣地為60.1%），說(shuō)明研究區(qū)土壤微團(tuán)聚體主要以＞0.01mm的大粒級(jí)為主。從＜0.01mm／＞0.01mm微團(tuán)聚體含量的比值來(lái)看，Ⅰ號(hào)樣地（1.066 5）＞Ⅲ號(hào)樣地（0.710 57）＞Ⅱ號(hào)樣地（0.663 9）＞Ⅳ號(hào)樣地（0.589 3）＞Ⅴ號(hào)樣地（0.415 0）。

表3 土壤微團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

不同石漠化程度土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)為2.697 6～2.795 0，其大小分別是Ⅰ號(hào)樣地（2.795 0）＞Ⅲ號(hào)樣地（2.753 5）＞Ⅱ號(hào)樣地（2.753 3）＞Ⅳ號(hào)樣地（2.713 1）＞Ⅴ號(hào)樣地（2.697 6）。將分形維數(shù)D微團(tuán)與各粒級(jí)團(tuán)聚體之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明分形維數(shù)D微團(tuán)與1～0.25mm微團(tuán)聚體呈顯著的負(fù)相關(guān)（r＝－0.942＊，P＜0.05），與0.005～0.001mm微團(tuán)聚體呈顯著的正相關(guān)（r＝0.893＊，P＜0.05），與＜0.001mm微團(tuán)聚體呈極顯著的正相關(guān)（r＝0.991＊＊，P＜0.01）。對(duì)分形維數(shù)D微團(tuán)與大粒（＞0.01mm）微團(tuán)聚體作線性回歸，關(guān)系式為D微團(tuán)＝3.018～0.005X大粒，相關(guān)系數(shù)為－0.964＊＊。顯然，土壤微團(tuán)聚體較大粒級(jí)含量越多，微團(tuán)聚體分形維數(shù)越小。

2.3 土壤團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，有保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱，影響土壤酶活性的種類和活性，維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層的作用，其大、小粒級(jí)的組成比例，影響著土壤肥力水平的高低［20］。

由土壤團(tuán)聚體干篩結(jié)果可知（表4），各樣地＞5 mm土壤團(tuán)聚體的含量均在70%以上，Ⅰ號(hào)樣地最高，達(dá)到了87.27%，Ⅱ號(hào)樣地最低，為70.27%，結(jié)果表明研究區(qū)土壤團(tuán)聚體以＞5mm的大粒級(jí)團(tuán)聚體為主。5～2mm團(tuán)聚體的含量次之，各樣地間的含量大小順序?yàn)棰蛱?hào)樣地＞Ⅳ號(hào)樣地＞Ⅲ號(hào)樣地＞Ⅰ號(hào)樣地。2～1mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm，＜0.25mm土壤團(tuán)聚體的含量相對(duì)較少，其中2～1 mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm土壤團(tuán)聚體含量最大值均出現(xiàn)在Ⅱ號(hào)樣地，且Ⅰ號(hào)樣地2～1mm，1～0.5mm，＜0.25mm土壤團(tuán)聚體含量均最小。土壤團(tuán)聚體干篩分形維數(shù)變化范圍為1.909 3～2.046 0，從大到小依次為Ⅲ號(hào)樣地（2.046 0）＞Ⅴ號(hào)樣地（2.022 6）＞Ⅰ號(hào)樣地（1.973 9）＞Ⅳ號(hào)樣地（1.914）＞Ⅱ號(hào)樣地（1.909 3）。

經(jīng)過(guò)濕篩后，＞5mm土壤團(tuán)聚體含量急劇下降，其中減幅最大的是Ⅰ號(hào)樣地，減少了86.07%；其次是Ⅴ號(hào)樣地，減少了65.37%；Ⅳ號(hào)樣地減少量最小，也減少了30.72%。結(jié)果表明，在石漠化地區(qū)，土壤團(tuán)聚體抵抗水力分離、崩解的能力比較弱。樣地土壤中其他粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量都有不同程度的提高，以＜0.25mm 土壤團(tuán)聚體含量增幅最大，為680.20%～3812.28%，各樣地含量從大到小依次為：Ⅰ號(hào)樣地（22.30%）＞Ⅲ號(hào)樣地（17.46%）＞Ⅱ號(hào)樣地（11.56%）＞ Ⅴ 號(hào) 樣 地 （9.76%）＞ Ⅳ 號(hào) 樣 地（7.88%）。

從表中可以看出，各樣地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在較大粒級(jí)，Ⅰ—Ⅳ號(hào)樣地＞2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體 的 含 量 分 別 為 37.26%，60.94%，68.70%，71.22%，58.68%。通過(guò)計(jì)算得到各樣地結(jié)構(gòu)體破壞率，結(jié)果為：Ⅰ號(hào)樣地＞Ⅲ號(hào)樣地＞Ⅱ號(hào)樣地＞Ⅴ號(hào)樣地＞Ⅳ號(hào)樣地。土壤經(jīng)過(guò)濕篩處理后，其團(tuán)聚體分形維數(shù)也有所提高，各土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)為：Ⅲ號(hào)樣地（2.648 8）＞Ⅰ號(hào)樣地（2.491 4）＞Ⅱ號(hào)樣地（2.374 0）＞Ⅳ號(hào)樣地（2.317 2）＞Ⅴ號(hào)樣地（2.261 9）。對(duì)＞0.25mm土壤團(tuán)聚體與團(tuán)聚體分形維數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，得到：D團(tuán)聚體＝5.049～0.031X＞0.25mm，r＝－0.932＊＊。說(shuō)明土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)隨土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體含量的增加而減小。

表4 土壤團(tuán)聚體組成及其分形維數(shù)

2.4 不同石漠化等級(jí)土壤分形維數(shù)

從表5可知，不同石漠化程度土壤各分形維數(shù)均表現(xiàn)出D顆粒＞D微團(tuán)＞D濕篩＞D干篩，且D顆粒與D微團(tuán)的最大值都出現(xiàn)在重度石漠化土壤中，無(wú)石漠化樣地土壤D顆粒、D微團(tuán)值最小。對(duì)土壤顆粒組成分形維數(shù)D顆粒和土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)D微團(tuán)作相關(guān)性分析后，發(fā)現(xiàn)土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.922＊。土壤顆粒組成分形維數(shù)從Ⅰ—Ⅴ號(hào)樣地逐漸減小，即隨石漠化等級(jí)的增加而增大。分形維數(shù)越大，土壤粘性越重，土壤通透性就越差。相比無(wú)石漠化地，石漠化樣地的土壤顆粒組成分形維數(shù)都較大，說(shuō)明石漠化發(fā)展過(guò)程中，土壤有向重粘性質(zhì)地發(fā)展的趨勢(shì)。有研究認(rèn)為隨著石漠化的發(fā)展，土壤物理性黏粒（粒徑＜0.01mm）含量逐漸增加，物理性砂粒（粒徑＞0.01 mm）含量逐漸減少，土壤向粘質(zhì)化、緊密化發(fā)展［13］。同時(shí)，土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線表現(xiàn)出先下降再上升后下降的趨勢(shì)，但從石漠化程度來(lái)看，土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)總體上是隨石漠化程度的降低而下降；各石漠化等級(jí)土壤風(fēng)干團(tuán)聚體經(jīng)過(guò)濕篩處理后，出現(xiàn)分形維數(shù)升高的現(xiàn)象。就土壤風(fēng)干團(tuán)聚體分形維數(shù)而言，最高值出現(xiàn)在中度石漠化樣地，其次是無(wú)石漠化樣地，但它在石漠化發(fā)展過(guò)程中的變化規(guī)律并不明顯。濕篩后，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線與風(fēng)干土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)曲線相似，只有無(wú)石漠化樣地的團(tuán)聚體分形維數(shù)從風(fēng)干時(shí)的第二，變成了濕篩處理后的最低值。

表5 不同石漠化程度土壤分形維數(shù)

3 結(jié)論與討論

（1）石漠化地區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)為2.854 5～2.908 4，且土壤顆粒分形維數(shù)與土壤粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（r＝－0.963＊＊，P＜0.01）、與黏粒呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＝0.995＊＊，P＜0.01）。這與許多學(xué)者的研究結(jié)果類似，都認(rèn)為分形維數(shù)的大小主要是由粒級(jí)較細(xì)的顆粒含量所決定［21］。土壤微團(tuán)聚體主要以＞0.01mm的大粒級(jí)微團(tuán)聚體為主，同時(shí)對(duì)土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)與大粒（＞0.01mm）微團(tuán)聚體含量做線性回歸之后相關(guān)性顯著。各樣地土壤風(fēng)干團(tuán)聚體＞5mm粒級(jí)的含量均在70%以上，經(jīng)過(guò)濕篩處理，＞5mm土壤團(tuán)聚體含量大量的減少，而其他粒級(jí)土壤團(tuán)聚體都有不同程度的提高，其中＜0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量增加最明顯。造成這種現(xiàn)象的原因可能是土粒間、微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力較小［22］，膠結(jié)物含量較少。土壤團(tuán)聚體抵抗水流崩解、分散的能力往往表征土壤抵抗水流侵蝕的能力，因此研究區(qū)一旦遇到徑流，就很容易發(fā)生土壤侵蝕，造成水土流失。

（2）不同石漠化程度土壤各分形維數(shù)均表現(xiàn)出D顆粒＞D微團(tuán)＞D濕篩＞D干篩，且土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)相關(guān)性顯著。從石漠化演化過(guò)程來(lái)看，土壤顆粒組成分形維數(shù)與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)都有隨石漠化等級(jí)的減小而逐漸降低的趨勢(shì)。這是由于在石漠化的水蝕區(qū)土壤的侵蝕程度越大，其重量分形維數(shù)就越小，這與陳子玉［23］等學(xué)者對(duì)南方水蝕區(qū)土壤顆粒分形的研究結(jié)果相似。同時(shí)也表明對(duì)于石漠化過(guò)程中土壤團(tuán)聚體分形特征來(lái)說(shuō)，土壤干、濕篩分形維數(shù)變化相似，但隨石漠化程度的變化規(guī)律并不明顯。

（3）隨著石漠化程度增強(qiáng)，土壤顆粒分形維數(shù)增加，土壤黏粒含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于受人為因素的影響，石漠化的加劇造成植被覆蓋率下降、植物群落從高級(jí)到低級(jí)演替的結(jié)果，同時(shí)植物根系對(duì)土壤的穿插和網(wǎng)絡(luò)固結(jié)作用，可以改變土壤的通透性和力學(xué)性質(zhì)，使顆粒組成和理化性質(zhì)發(fā)生變化［23］。有研究表明，石漠化地區(qū)土壤物理性黏粒與植被覆蓋率有顯著的相關(guān)性［24］。因此，應(yīng)基于不同程度石漠化土壤分形特征的研究，探究研究區(qū)石漠化綜合治理模式，從根本上改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗侵蝕能力，為研究區(qū)的石漠化治理提供重要依據(jù)。

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